矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点

1.一种矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点，包括矩管柱和与所述矩管柱的四个侧面连接的H形钢梁，所述的H形钢梁呈纵横交叉状设置，其特征在于，所述矩管柱与H形钢梁之间设置有牛腿连接件，所述的牛腿连接件包括与所述矩管柱中心线垂直设置的上端板和下端板以及设置在所述上、下端板之间分别连接该上、下端板左右两侧的矩形左、右立板，所述上、下端板均呈梯形，所述梯形上、下端板的长底边均设置在所述矩管柱侧面上，短底边分别连接所述H形钢梁上、下翼缘，所述左、右立板分别与所述梯形上、下端板近两侧连接并与所述上、下端板垂直设置以形成变截面箱形；还包括设置在左、右立板之间中立板，所述中立板支撑设置在上下端板之间，且其内端设置在矩管柱侧面，外端连接所述H形钢梁腹板；所述的梯形上、下端板为等腰梯形，其侧边坡度在1∶4-1∶1之间；所述梯形长底边的长度在125mm-500mm之间；所述的梯形上、下端板长底边长度与连接该长底边的所述矩管柱侧面宽度一致，短底边与连接该短底边的所述H形钢梁的上、下翼缘一致。
2.如权利要求1矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点，其特征在于，矩管柱为焊接箱形柱、轧制矩管柱或矩管混凝土柱。

矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种建筑钢结构，特别涉及矩管柱具体包括焊接箱形柱，轧制矩管柱及矩管混凝土柱与H形钢梁的连接的楔形箱形刚接节点。\n背景技术\n[0002] 近年来，尤其是在汶川地震以后，我国钢结构住宅的抗震性能及其工业化生产的研发已逐渐成为一个热点问题，但是钢结构住宅体系的研究与应用在我国还处在起步阶段。\n[0003] 在钢结构住宅体系中，小截面箱形柱和矩管柱，以及矩管混凝土柱因其刚度大，两个主轴方向刚度相同或相近，用钢量更省等优点而被广泛应用。因此矩管柱(焊接箱形柱，轧制矩管柱和矩管混凝土柱)和H形钢梁连接而成的框架应用于普通民用钢结构体系是一种良好的选择。在矩管柱和H形钢梁节点中，比较成熟的方案主要有内隔板式和外联板式两种，下面主要从这两个角度对现行的节点模式进行介绍。\n[0004] 对于内隔板式节点而言，需要进行内部的施焊，焊接困难，焊缝质量不容易保证，而且内隔板的存在会影响混凝土的浇筑。并且，此种节点需要在现场进行大量的焊接作业，劳动的效率低，技术含量高，成本较高。\n[0005] 对于外联板式节点而言，由于外加强环的尺寸比较大，尤其是对于钢管混凝土住宅结构，由于光管内添加混凝土所以柱截面往往较小，这就给建筑上的处理带来诸多不便，并且对住宅内部装饰也有较大的影响。\n[0006] 钢结构的应用越发广泛。与其他结构形式相比，建筑钢结构具有卓越的抗震性能，在历次地震中震害较少，经受住考验，很少发生整体三十和倒塌现象。但是在地震中，钢结构经常会发生局部破坏，如1997年1月17日美国CaliforniaNorthridge地震，其中，引起震害的主要原因之一便是梁柱节点处发生脆性破坏。所以，钢结构节点的延性设计、耗能性能在整体结构的设计中的地位举足轻重。\n[0007] 抗震设计的基本原则是“强剪弱弯，强柱弱梁，强节点弱构件”。由此可以从一个侧面看出，对于抗震结构而言，节点设计构造的合理性，直接关系到整个结构的抗震性能。梁柱节点是整个结构传力的中心枢纽，是整个结构得以发挥作用的“主关节”。因此，若是能研究设计出一种受力明确合理、构造简单、施工方便、抗震性能优越、经济实用的梁柱节点，将使整个钢结构领域达到一个新的高度。但是，目前梁柱节点还存在很多问题。\n[0008] 各典型节点存在问题如下：\n[0009] 1、内隔板式梁柱节点，此类节点只适用于焊接箱形柱，对轧制矩管柱并不适用，需要进行内部施焊，焊接困难，焊缝质量不易保证，而且隔板存在会影响混凝土浇筑，同时，由于节点焊缝较多，导致节点焊缝附近钢材塑性下降，脆性增加，影响结构塑性的进一步发展，成本高；\n[0010] 2、外联板式梁柱节点，外加强环的尺寸较大，尤其在钢管混凝土住宅中由于钢管混凝土柱截面较小，当外加强式节点环板的尺寸较大，往往给建筑上的处理带来不便，对住宅内部装饰有较大影响。\n发明内容\n[0011] 为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种工艺简单、便于加工、可靠性较高、快速安装、施工工期短的矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点。\n[0012] 为了达到上述目的，本发明的矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点，包括矩管柱和与所述矩管柱的四个侧面连接的H形钢梁，所述的H形钢梁呈纵横交叉状设置，所述矩管柱与H形钢梁之间设置有牛腿连接件，所述的牛腿连接件包括与所述矩管柱中心线垂直设置的上端板和下端板以及设置在所述上、下端板之间分别连接该上、下端板左右两侧的左、右立板，所述梯形上、下端板的长边均设置在所述矩管柱侧面上，短边分别连接所述H形钢梁上、下翼缘。所述矩管柱为焊接箱形柱、轧制矩管柱或矩管混凝土柱。\n[0013] 其中，还包括设置在左、右立板之间中立板，所述中立板支撑设置在上下端板之间，且其内端设置在矩管柱侧面，外端连接所述H形钢梁腹板，\n[0014] 进一步地，所述上、下端板均呈梯形，所述梯形上、下端板的长底边均设置在所述矩管柱侧面上，短底边分别连接所述H形钢梁上、下翼缘，所述左、右立板分别与所述梯形上、下端板近两侧连接并与所述上、下端板垂直设置。\n[0015] 进一步地，所述的梯形上、下端板为等腰梯形，其侧边坡度在1∶4-1∶1之间。\n[0016] 特别是，所述梯形长底边的长度在125mm-500mm之间。\n[0017] 其中，所述的梯形上、下端板长底边长度与连接该长底边的所述矩管柱侧面宽度一致，短底边与连接该短底边的所述H形钢梁的上、下翼缘一致。\n[0018] 进一步地，所述的左、右立板呈矩形。\n[0019] 特别是，所述牛腿连接件与所述矩管柱侧面和H形钢梁上下翼缘之间以及牛腿连接件的上、下端板与左、右立板之间分别焊接，所述中立板外端与H形钢梁腹板之间通过螺栓连接或焊接。\n[0020] 上述的结构，相对于内隔板式节点的多处内部施焊和现场焊接作业，矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点无需内部施焊，减小了焊接的难度。由于取消了内隔板，从而可以将焊接矩管柱转换为矩管混凝土柱，减小了截面尺寸，增大可以利用的空间。此外，相对于外联式节点而言，即使采用截面比较小的矩管混凝土柱，也不存在外环加强板与柱之间尺寸差过大的问题，便于建筑专业对于建筑物的处理和对建筑内部的装饰等。\n附图说明\n[0021] 图1为本发明的背景技术内隔板式节点平面结构示意图。\n[0022] 图2为图1中沿1-1方向剖视结构示意图。\n[0023] 图3为本发明背景技术中外联板式节点平面结构示意图。\n[0024] 图4为图3中沿1-1方向剖视结构示意图。\n[0025] 图5为本发明的具体实施例的主视结构示意图。\n[0026] 图6为图5的俯视结构示意图。\n[0027] 图7本发明的具体实施例的应力云图。\n[0028] 图8内隔板式节点、外联板式节点及矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点的滞回曲线图。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。\n[0030] 如图5-8所示，本发明的矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点，包括矩管柱1和与所述矩管柱的四个侧面连接的H形钢梁2，所述的H形钢梁呈纵横交叉状设置，所述矩管柱与H形钢梁之间设置有牛腿连接件3，所述的牛腿连接件包括与所述矩管柱中心线垂直设置的上端板31和下端板32以及设置在所述上、下端板之间分别连接该上、下端板左右两侧的左、右立板33、34，进一步地，所述的左、右立板呈矩形。所述上、端板31、32均呈梯形)，所述梯形上、下端板的长底边均设置在所述矩管柱侧面上，短底边分别连接所述H形钢梁上、下翼缘21、22。所述矩管柱为焊接箱形柱、轧制矩管柱或矩管混凝土柱。\n[0031] 其中，还包括设置在左、右立板之间中立板35，所述中立板支撑设置在上下端板之间，且其内端设置在矩管柱侧面，外端连接所述H形钢梁腹板，所述左、右立板分别与所述梯形上、下端板近两侧连接并与所述上、下端板垂直设置。所述牛腿连接件与所述矩管柱侧面和H形钢梁上下翼缘之间以及牛腿连接件的上、下端板与左、右立板之间分别焊接，所述中立板外端与H形钢梁腹板之间通过螺栓4连接或焊接。\n[0032] 所述的梯形上、下端板为等腰梯形，其侧边坡度在1∶4-1∶1之间。所述梯形长底边的长度在125mm-500mm之间。\n[0033] 其中，所述的梯形上、下端板长底边长度与连接该长底边的所述矩管柱侧面宽度一致，短底边与连接该短底边的所述H形钢梁的上、下翼缘一致。\n[0034] 加工工艺为：制作上下翼缘板加宽加厚的牛腿连接件，在工厂完成牛腿连接件与箱形柱的焊接，现场安装时再通过腹板的摩擦形高强螺栓的拼接或焊接后与上下梁缘的焊接，形成梁柱(矩管柱)的刚性连接。这样，在满足强柱弱梁、节点加强抗震要求的同时，不仅满足了工业化生产的要求，保证了梁柱连接处的焊缝质量，又因无须设置内隔板，使现场安装速度强快，短缩施工工期。\n[0035] 本节关于矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点和传统的内隔、外联式的节点采用ANSYS进行了有限元分析，通过结果来对三者的内力分布、屈服点以及结构的耗能性进行对比。\n[0036] 从上述的应力云图可以得出如下结论：三种节点结构均可将塑性铰移出节点区，均具有较好的抗震性能；在节点域的受剪区域应力较大，内隔板式节点由于隔板的作用，应力分布比较均匀，但隔板受力较大，而矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点和外联式节点一致，呈“苹果”形分布。\n[0037] 通过对地震作用的模拟，得到结构的滞回曲线如图8所示，\n[0038] 可以看出三种形式节点的极限弯矩都十分接近。\n[0039] 综上得出如下结论，矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点应力分布合理，满足“强梁弱柱”的要求，并且在屈服极限没有明显下降的情况下，结构更简单易焊，变形能力也在容许的范围内有所提升，有利于结构的抗震。\n[0040] 上述的节点结构，从力学性能方面分析，节点受力应明确合理，避免复杂受力状态的出现；梁端弯矩、剪力传递应充分可靠；强柱弱梁概念明确，在强震的作用下迫使塑性铰在偏离节点根部的位置形成，具有良好的延性与耗能性能，从而达到保护节点的目的；在加工工艺方面；节点主要部件能在工厂线性化批量生产，提高加工效率；节点板件加工应为简单工艺，既可采用热弯、焊接等工艺完成；节点主焊缝避开冷弯角，以避免焊缝影响区的脆性破坏；考虑材料与弯角的工艺配合关系，以方便加工；非标紧固件厂家能生产；节点区域取消隔板，保证柱子通长，在加工时无需截断；在施工工艺方面，现场避免出现仰、侧焊缝，提高焊接质量，降低施工困难；节点构造应简单，这样便于运输和建筑空间布置；取消隔板，保证现场混凝土自由灌筑，这样可有效提高柱子的刚度和承载力；现场安装速度快，梁柱现场焊接质量有保证，达到工业化流水线生产与现场快速组装拼接相结合，缩短建筑施工工期。\n[0041] 鉴于矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点上述的便于内饰、扩大可用空间的优势，该节点可以广泛的应用于各类矩管柱H形钢梁建筑结构中，尤其适用于多层框架住宅结构和对空间要求较高的公共建筑。\n[0042] 本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上做任何变化，凡是利用上述的矩管柱与H形钢梁楔形箱形刚接节点都是本发明的一种变形，均应认为落在本发明保护范围之内。